JP5755327B2 - 光電子素子に結合された光ファイバを位置合わせして固定する方法 - Google Patents

Description

相互参照
本出願は、２０１０年７月２日出願のフランス特許出願第１０ ５５ ３５６号に基づくものであり、その開示の全体が参照によってここで組み込まれ、その優先権が米国特許法第１１９条の下でここで主張される。

本発明は、光ファイバの光学軸を光電子素子の光学軸と位置合わせして、光ファイバを光電子素子と結合する位置に固定する方法に関する。この方法は、光電子素子が複数の光ファイバに結合される状況にも適合する。

本発明の関係する能動光電子素子は、集積回路の導体に結合され得る光生成素子または光検出素子である。この光電子素子は、具体的には、例えば半導体素子、レーザ・ダイオード、発光ダイオード、光ダイオード、または光トランジスタでよい。この光電子素子を光ファイバと最適に結合するためには、光ファイバの光学軸を光電子素子の光学軸に対して非常に精度よく位置合わせする必要がある。しかし、光電子素子の寸法が非常に小さいために、光ファイバと光電子素子の光学軸の位置合わせの調節は、場合によっては３つの軸のすべてにおいて１μｍ以上の精度が必要とされるので、非常に繊細な作業である。このため、この位置合わせは一般に動的に調節され、光エレクトロニクスデバイスの動作中に、光ファイバがマイクロマニピュレータで移動されて、所定の位置に調節される。

光電子素子に対する光ファイバの終端の位置決めが十分に調節されていれば、入力結合の場合には、入力光ファイバによって伝達された信号に対する結合によって伝達された信号の比を意味する、結合によってもたらされる結合の質がより高いものになる。実際には、これは、光電子素子に対して光ファイバを非常に正確に位置決めする必要がある。そのとき、光電子素子に対する光ファイバの位置は、光ファイバを台の上に固定する最適な壁に存続していなければならない。

知られている方法の１つは、光ファイバを、３つの直交軸に沿って移動することに基づくものであり、直交軸のうちの１つは、光電子素子の光学軸に対して平行であって、他の２つは同じ軸に対して垂直であり、したがって、その調節はデカルト座標のシステムで遂行される。位置合わせが達成されたとき、その部分がレーザ溶接によって所定の位置に固定される。この方法の難点は、精密に機械加工された滑らかな面が必要であって高くつくことである。

この難点を改善するために、極座標を用いることが提案されている。光電子素子は、溝を備える基部上に固定され、それらの溝の上に置かれたプレートの間に光ファイバが保持される。

この難点を改善するために、より低精度な部品を使用するデバイスを有して最適な結合を得るように、光ファイバを傾斜させ、かつ移動することも提案されている。光電子素子は、スロットを備える基部に固定され、光ファイバは、その先端がスロットの中に挿入される鍵穴形のペンチによって所定の位置に固定される。

別の方法は、光電子素子に面して配置された光ファイバを、凝固性物質の中で移動させるステップから成る。この凝固性物質は、溶解された軟質のハンダまたは重合接着剤のいずれかである。光ファイバの位置は、伝達される信号が最大になるまで調節され、次いで、結合が最適になったとき物質が凝固され、こうして光ファイバが適切な位置に固定される。この方法の難点は、物質が凝固している間、光ファイバが収縮力によって移動して、時には壊れることさえあり得ることである。結合が低下しないように、光電子素子に対して光ファイバを位置決めするとき、収縮に起因する移動が予想される。それにもかかわらず、収縮は必ずしも予測可能ではなく、結果として、位置合わせに必要とされる精度が得られない。

したがって、光ファイバを光電子素子に結合するのは簡単な作業ではない。これは、光電子素子に対する光ファイバの位置合わせが、光電子素子と光ファイバの間の光結合を最大にする必要があるためである。さらに、この結合は、温度および湿度の変化にもかかわらず、長時間にわたって強固で最適な位置合わせを維持しなければならない。さらに、この結合は、取扱い上の耐性が必要であり、結合レベルの低下すら許容しなければならない。

本発明の目的は、光ファイバの光学軸を光電子素子の光学軸に正確に位置合わせして固定する方法を提案することである。

本発明の目的は、光ファイバの光学軸を光電子素子の光学軸と位置合わせして、光ファイバを、光電子素子に対して結果として生じる相対位置に固定する方法を提供することである。

本発明によれば、この方法は、
− 基部にスロットを切るステップと、
− スロットの内部に、光ファイバを、側面にも底面にも触れないように配置するステップと、
− 光ファイバ上に凝固性物質を堆積するステップと、
− 光電子素子の近くに、凝固性物質の限定された重合領域を画定するステップと、
− 光ファイバが限定された範囲で移動することを可能にするように、凝固性物質の限定された重合領域に対応する部分を部分的に凝固させるステップと、
− 光ファイバの光学軸を光電子素子の光学軸に位置合わせするように、光ファイバを移動するステップと、
− 光ファイバをスロットの内部で固定するように、凝固性物質を完全に凝固させるステップとを含む。

優先的に、凝固性物質は光重合性モノマーを含む。さらに優先的には、凝固性物質は、紫外線放射にさらされたとき凝固可能である。

本発明の第１の実施形態によれば、この方法は、
− スロットの内部に配置された光ファイバの端部上に、少量の凝固性物質を堆積するステップと、
− 光ファイバが限定された範囲で移動することを可能にするように、前のステップで堆積された凝固性物質の部分を部分的に凝固させるステップと、
− 光ファイバの光学軸を光電子素子の光学軸に位置合わせするように、光ファイバを移動するステップと、
− 位置合わせが一旦完了すると、スロットの中で光ファイバを固定するように、スロットに凝固性物質を充填してから凝固性物質を完全に凝固させるステップとを含む。

本発明の第２の実施形態によれば、この方法は、
− スロットに凝固性物質を充填するステップと、
− 凝固性物質上にマスクを堆積するステップと、
− 光ファイバが限定された範囲で移動することを可能にするように、凝固性物質のマスクされていない部分を部分的に凝固させるステップと、
− 光ファイバの光学軸を光電子素子の光学軸に位置合わせするように、光ファイバを移動するステップと、
− 位置合わせが一旦完了すると、スロットの中で光ファイバを固定するように、マスクを除去して凝固性物質を完全に凝固させるステップとを含む。

この方法の利点は、光電子素子の近くの光ファイバの前に進んだ部分でスイベル・ジョイントを構成するために、限定された領域のポリマーを部分的に重合させることであり、これによって、光ファイバが、光電子素子に対して、より正確に位置合わせして固定される。このスイベル・ジョイントにより、光ファイバは、３次元に移動することができる。光ファイバの移動の完全な自由を保つために、光ファイバはスロットの底面または側面に接してはならない。光ファイバが側面と接触せずに固定されるので、完全な重合による縮小の可能性によってもたらされる問題を低減するために、光ファイバを囲む重合性物質の厚さを最小限にするのが好ましい。

限定された領域は、重合性物質を、その領域を画定するのに必要とされる量だけしか堆積しないことにより、または豊富に堆積して重合されない部分をマスクすることによって得られてよい。それによって境界を定められた領域内の重合性物質は、部分的に重合される。

本発明のさらなる目的は、上記で説明された方法を実施するために、光ファイバの光学軸を、基部に固定された光電子素子の光学軸に位置合わせして、光電子素子に対して結果として生じる相対的位置に光ファイバを固定するためのデバイスである。

デバイスの内部で、基部にスロットおよび溝が切られ、溝はスロットに対して垂直であって、スロットより深い。

縦軸に沿って縮むことの影響の平衡を保つために、光ファイバが一旦凝固性物質に浸漬されると、紫外線透過性プレートがスロットの上の基部上に設置される。次いで、光ファイバは、４つの側面で取り囲まれて所定の位置に保持される。

一変形形態では、スロットと平行して２つの溝も切られ、それぞれがスロットの両側に配置される。

本発明の他の特性および利点が、当然のことながら限定的でない実例として示されている以下の実施形態の説明および添付図面を読み取れば明らかになるであろう。

斬新な方法によって光ファイバを光電子素子に位置合わせする各ステップの第１の実施形態を示す概略図である。 斬新な方法によって光ファイバを光電子素子に位置合わせする各ステップの第２の実施形態を示す概略図である。 以前に完成した光エレクトロニクス素子に対する、光ファイバの斬新な方法による位置合わせを示す概略図である。 斬新な方法によって光ファイバを光電子素子に位置合わせする各ステップの第３の実施形態を示す概略斜視図である。 斬新な方法によって光ファイバを光電子素子に位置合わせする各ステップの第４の実施形態を示す概略斜視図である。 斬新な方法による、光ファイバの光電子素子への位置合わせの変形形態を示す概略斜視図である。 斬新な方法によって複数の光ファイバを光電子素子に対して同時に位置合わせする実施形態を示す概略斜視図である。

図１ａは、例えば互いに結合する必要のあるレーザ・ダイオードおよび光ファイバ２といった光生成素子または光検出素子である光電子素子１を示す。光ファイバ２は、スロット４が切ってある基部３上に載っている。基部３は、光電子素子１も支持することができる。光ファイバ２は、スロット４の中で、底面の近くのどちらの側面にも触れないように、また、光電子素子１の隣接した端をわずかに過ぎて、さらに反対端を過ぎて延在するように設置される。マイクロマニピュレータ工具５は、光ファイバ２の、光電子素子１の反対側で外側に延在した終端を、基部３の近く（例えば１ｍｍまたは２ｍｍ）で保持し、それによって光ファイバ２を移動させることができる。

図１ｂでは、例えば紫外線放射にさらされたとき光重合され得る接着剤などの少量の凝固性物質６が、スロット４の中に堆積されている。光ファイバ２の端部上に少量の接着剤６を堆積すると、光ファイバ２を移動７させる。次いで、接着剤６は、マイクロマニピュレータ工具５によって加えられる力の効果によって光ファイバ２が移動することを可能にするために、凝固することなく濃くなるように、部分的に重合される。

このようにして、一旦、スイベル・ジョイントが構成されると、光電子素子の近くに配置されたファイバの一部分は、空間内で３つの軸に沿った運動を描くことができ、この運動は、スロットの反対側の終端に設置されたマイクロマニピュレータ工具５によって与えられる運動に比例するものである。この結果は、ファイバの位置決めの精度に影響を及ぼすレバーである。

光ファイバ２は、工具５の動作８により、図１ｃに示されるように、その直前の移動７の反対方向９へ、光電子素子１の光学軸に対してその光学軸を位置合わせして光電子素子１との最適な結合を達成するまで移動される。

光ファイバ２が、一旦所定の位置に来て、半重合した接着剤の少量６によってそこに保持されると、スロット４は、さらなる量の接着剤１０で満たされる（図１ｄ）。次いで、すべての接着剤６、１０が、紫外線放射の効果によって完全に重合される。光ファイバ２は、最適な結合の持続する位置に残され、基部３上にしっかりと固定される。

図１ａから図１ｄに示された本発明の実施形態は、予期された収縮が実際に生じた収縮以下であった状況に対応する。

図２ａから図２ｃは、予期された収縮が実際の収縮より大きかった状況の第２の実施形態を示す。光電子素子２０および光ファイバ２１は、どちらも、スロット２３が切られた基部２２上に載って示されている。少量の重合性物質２４がスロット２３の中に堆積され、これによって光ファイバ２１を移動２５させる。次いで、光ファイバ２１がマイクロマニピュレータ工具２６によって移動され得るように、凝固性物質２４が部分的に重合される。

光ファイバ２１は、工具２６の動作２７により、図２ｃに示されるように、その直前の運動２５と同じ方向へ、光電子素子２０の光学軸に対してその光学軸を位置合わせして光電子素子２０との最適な結合が達成されるまで移動される。

図３は、基部３３の中に切られたスロット３２の内部に配置された光ファイバ３１に結合された光電子素子３０を概略的に示す。ここで示された状況では、光電子素子３０は、ファイバ３１と同じ基部の上に載っている。

図４ａから図４ｃは、斬新な方法の一実施形態によって基部４１上に光ファイバ４０を固定する各ステップを斜視図で示す。

最初に（図４ａ）、光ファイバ４０は、基部４１に切られたスロット４２に堆積され、基部４１は、光電子素子に隣接した光ファイバ４０の終端が、わずかに光電子素子を過ぎて延在すること４３を可能にするように、光電子素子（図示せず）も支持することができる。光ファイバ４０は、光クラッドによって取り囲まれたコアから形成され、その直径Ｄは約１２５μｍである。基部４１の高さＨは、約２ｍｍである。セラミック、ポリマー材料、光基板材料（ホウ珪酸塩、シリコンなど）などの適切な材料から形成された基部４１に、２００μｍ程度の幅Ｌおよび深さＰを有するスロット４２が切られている。

図４ｂに示されるように、紫外線放射で、または熱効果によって重合する材料を含んでいる少量の接着剤４４がスロット４２に堆積される。優先的に、重合中にいかなるガスも放出しない低収縮の接着剤が使用される。例えば、部分的（ｏｎｅ−ｐａｒｔ）エポキシ接着剤が使用されてよい。接着剤は、濃いジャムに匹敵する粘性の濃度（ｖｉｓｃｏｕｓ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ）を与えるように部分的に重合され、これによって、光ファイバ４０は、十分な力が加えられると限られた範囲で移動することができるが、自由に動くのを妨げられる。

この少量の接着剤４４が望ましくない方向に広がるのを防ぐために、溝４５は、スロット４２の深さＰより大きな深さＰ’で、スロット４２に対して垂直な方向に切られてよい。この溝４５は、第１の少量の接着剤と後に付加された接着剤の残りの間の接合の中に切られる。この溝の機能は、スイベル・ジョイントを構成するために部分的に重合される予定の重合性物質のいくらかが堆積されることになる光電子素子に近い第１の領域と、一旦重合性物質が十分に重合されたとき、光ファイバを精密な位置合わせ位置に恒久的に固定するために、追加の重合性物質を受け取る光電子素子から遠い領域との、２つの別個の領域の境界を定めることである。

図示されていない変形形態によれば、スロットの両側に２つの溝が平行に切られてよい。これらの側方の溝は、凝固可能物質が堆積される領域の境界を定めるのに寄与する。

光ファイバ４０は、一旦光電子素子との結合が最適な位置に設置されると、部分的に重合された少量の接着剤４４によって所定の位置に保たれる。したがって、接着剤４６は、図４ｃに示されるように光ファイバを浸漬するようなやり方で付加されてよく、組立体は、第１の少量の接着剤４４の重合を完了させ、その後付加された接着剤４６も完全に重合させることになるＵＶ放射にさらされてよい。

次に、斬新な方法の別の実施形態によって基部５１上に光ファイバ５０を固定する各ステップを示す図５ａから図５ｄを検討する。

図５ａでは、光ファイバ５０は、基部５１に切られているスロット５２上に載っており、スロット５２は凝固可能物質５３で満たされている。

次に、図５ｂに示されるように、凝固可能物質５３上にマスク５４が堆積される。次いで、ＵＶ放射５５が送られ、これは、光ファイバ５０の限られた範囲の移動を可能にするために、この領域５６の凝固可能物質５３を部分的に凝固するように、マスク５４で保護されない領域５６に対して作用する。

光ファイバ５０は、ツール５の動作の下で、図５ｃに示されるように、光電子素子５７との最適な結合が達成されるまで、その光学軸を光電子素子５７の光学軸と位置合わせするようなやり方で移動される。

最後に、マスク５４が除去され（図５ｄ）、送られるＵＶ放射によって、光ファイバ５０を所望の位置に固定するように凝固可能物質５３の完全な凝固が可能になる。

図６では、ＵＶ放射の影響下にある重合性接着剤に浸漬された光ファイバ６３を含んでいるスロット６２の上の基部６１上に、ＵＶ透過性プレート６０が配置されている。このプレート６０は、縦軸に沿った収縮力を均衡させることができる。

同一の光エレクトロニクス素子７１に対して複数の光ファイバ７０を結合する必要がある場合には、各光ファイバ７０が固有のスロット７２に堆積されるように、基部７３には複数の平行なスロット７２が切られる。次いで、各光ファイバ７０は、前述の実施形態のうちの１つにより、光電子素子７１に対して個々に位置合わせされる。

当然のことながら、本発明は、説明された実施形態に限定されず、本発明の趣旨から逸脱することなく、当業者に利用可能な多くの変形形態の対象となる。具体的には、本発明の範囲から逸脱することなく、別の構造および性質の凝固性物質の利用を考えることができる。

Claims (7)

1. 光ファイバの光学軸を光電子素子の光学軸と位置合わせして、前記光ファイバを、前記光電子素子に対して結果として生じる相対位置に固定する方法であって、
   − 基部にスロットを切るステップと、
   − 前記基部とは別個のものである光電子素子を用意するステップと、
   − 前記光電子素子に面するように前記基部を用意するステップと、
   − 前記スロットの内部に、光ファイバを、側面にも底面にも触れないように配置するステップと、
   − 前記光ファイバ上に凝固性物質を堆積するステップと、
   − 前記光電子素子の近くに、前記凝固性物質の限定された重合領域を画定するステップと、
   − 前記光ファイバが限定された範囲で移動することを可能にするように、前記凝固性物質の一部分を凝固させるステップと、
   − 前記凝固性物質の前記一部分を凝固させた後に、前記光ファイバの前記光学軸を前記光電子素子の前記光学軸に位置合わせするように、前記光ファイバを移動するステップと、
   − 前記光ファイバを前記スロットの内部で固定するように、前記凝固性物質を完全に凝固させるステップとを特徴とする方法。
2. 前記凝固性物質が光重合性モノマーを含んでいる請求項１に記載の位置合わせして固定する方法。
3. − 前記スロットの内部に配置された前記光ファイバの端部上に、少量の凝固性物質を堆積するステップと、
   − 前記光ファイバが限定された範囲で移動することを可能にするように、前記堆積された凝固性物質の一部分を部分的に凝固させるステップと、
   − 位置合わせが一旦完了すると、前記スロットの中で前記光ファイバを固定するように、前記スロットに凝固性物質を充填してから前記凝固性物質を完全に凝固させるステップとを含む請求項１または２に記載の位置合わせして固定する方法。
4. − 前記スロットを凝固性物質で充填するステップと、
   − 前記凝固性物質上にマスクを堆積するステップと、
   − 前記光ファイバが限定された範囲で移動することを可能にするように、前記凝固性部分のマスクされていない部分を部分的に凝固させるステップと、
   − 位置合わせが一旦完了すると、前記スロットの中で前記光ファイバを固定するように、前記マスクを除去して前記凝固性物質を完全に凝固させるステップとを含む請求項２に記載の位置合わせして固定する方法。
5. 前記物質が紫外線放射の作用の下で凝固可能である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位置合わせして固定する方法。
6. 光ファイバの光学軸を光電子素子の光学軸と位置合わせして、前記光ファイバを、前記光電子素子に対して結果として生じる相対位置に固定するためのデバイスであって、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法を実施するために、基部にスロットおよび溝を切るステップであって、前記溝を前記スロットに対して垂直に、前記スロットより深く切るステップを行ない、前記光ファイバが一旦前記凝固性物質に浸漬されると、紫外線透過性プレートが前記スロットの上の前記基部上に設置されるデバイス。
7. 前記スロットと平行して２つの溝が付加的に切られ、付加的に切られた前記溝のそれぞれが前記スロットの両側に１つずつ配置される請求項６に記載のデバイス。